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Anwendungsgebiet
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Die Erfindung betrifft die energietechnische Ausstattung von Gebäuden und deren Betriebsweise.
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Technischer Hintergrund
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Es besteht grundsätzlich das Bedürfnis, den Energiebedarf eines Gebäudes zu minimieren oder gar auf null zu bringen, im Idealfall mittels des Gebäudes sogar einen Energie-Überschuss zu erzielen.
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Prinzipiell kann mithilfe eines Gebäudes auf mehrere Arten Energie erzeugt werden:
- - zum einen durch Photovoltaik-Elemente, die bisher meist auf Dachflächen von Gebäuden angeordnet sind, und mit denen elektrischer Strom erzeugt wird,
- - mittels Wärme-Elementen, also Wärmesammlern, die meist ebenfalls auf Dachflächen montiert werden und durch Einstrahlung des Sonnenlichts das darin geführte Wärmeträger-Medium aufgeheizt wird
- - durch Wärmepumpen, die einem Wärmeträgermedium, zum Beispiel dem Grundwasser, Wärme entziehen, wobei die Wärmepumpen elektrisch betrieben werden können oder durch Verbrennen einer Primärenergieform wie etwa Öl oder Gas
- - Windräder, die meist ebenfalls auf dem Dach eines Gebäudes montiert werden, und die meist ebenfalls elektrischen Strom erzeugen.
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Um die Energieausbeute zu erhöhen, werden inzwischen nicht nur die Dachflächen, sondern auch Wandflächen oder Balkonbrüstung mit Photovoltaik-Elementen und/oder Wärme-Elementen ausgestattet.
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Da gerade Wärme zum Speichern über längere Zeit verlustbehaftet ist und - bei den üblichen benutzten Speichern, die Wasser als Speichermedium benutzen - große Volumina benötigen, ist das Speichern von Wärme über das Sommerhalbjahr und Abgeben zum Beheizen des Gebäudes und für warmes Brauchwasser über das Winterhalbjahr große Speichervolumina notwendig, die nicht innerhalb des Gebäudes, sondern sinnvollerweise nur im Untergrund untergebracht werden können.
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Hinsichtlich der Anordnung von Photovoltaik-Elementen oder Wärme-Elementen auf Dachflächen ist zu beachten, dass die heute noch in Deutschland bevorzugte Dachform diejenige eines Satteldaches - der weltweit häufigsten Dachform - ist, wobei meist nur eine der zwei Seiten des Satteldaches sinnvoll mit solchen Elementen bestückt werden kann.
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Des Weiteren wurden in der Vergangenheit Photovoltaik-Elemente und Wärme-Elemente meist - sofern beide vorhanden waren - nebeneinander auf den gleichen Dachflächen oder auch Fassadenflächen des Gebäudes angeordnet, wobei wegen des hohen Montageaufwandes und Undichtigkeits-Risikos Wärme-elemente an Gebäuden prinzipiell derzeit immer weniger vorgesehen werden.
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Dabei werden auf den Dachflächen sowohl Photovoltaik-Elemente als auch Wärme-Elemente in aller Regel auf der die Dichtigkeit und Stabilität zur Verfügung stellenden Dachhaut aufgebracht, die also zusätzlich benötigt wird.
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Des Weiteren ist bei baustellenseitig erzeugten Gebäuden der Montageaufwand für die energietechnische Ausstattung sehr hoch.
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Darstellung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Es ist daher die Aufgabe gemäß der Erfindung, die benötigten Bauteile, insbesondere Wärmeelemente, sowie ein damit ausgestattetes Gebäude zur Verfügung zu stellen, mit dem eine Eigenversorgung des Gebäudes mit Energie möglich ist und sogar ein Energie-Überschuss erzielt werden kann. Hierfür wird auch ein entsprechendes Verfahren zum energietechnischen Betrieb eines Gebäudes benötigt.
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Lösung der Aufgabe
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1, 4, 6, 10, 13 und 18 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Hinsichtlich der Vorrichtung, also der Wärme-Elemente sowie deren Bauteilen und einer daraus herzustellenden Energie-Schale für das Gebäude besteht der grundsätzliche Gedanke der vorliegenden Erfindung darin, Wärme-Element und Photovoltaik-Element nicht nebeneinander zum Beispiel auf der Außenhaut des Gebäudes der äußeren Hülle des Gebäudes anzuordnen, sondern diese gegenseitig zu integrieren, indem vorzugsweise das Photovoltaikelement die äußere Schicht der Energie-Schale bildet, während und an deren Rückseite ein Wärme-Element kontaktierend damit verbunden ist und die von dem erwärmten Photovoltaik-Element erzeugte Wärme abnimmt und abtransportiert.
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Grundsätzlich sind solche Wärme-Elemente als Schicht in einem Fußbodenaufbau als Fußbodenheizung oder unter einer Raumdecke als Heiz-/Kühldecke bereits bekannt, indem auch diese bekannten Elemente einerseits Halteelemente umfassen, in oder zwischen denen die meist mäanderförmig ausgebildete Rohrleitung oder Schlauchleitung, durch die das wärmende oder kühlende Wärmeträger-Medium zirkulieren soll, gehalten werden. Allerdings sind bei diesen bekannten Lösungen die Halteelemente möglichst gut thermisch isolierend, also nicht thermisch leitend, ausgebildet, damit die Wärmeträger-Leitung die übrigen umgebenden Bauteile, beispielsweise den Estrich, erwärmt und weniger die Träger-Elemente, die ja die Wärme eher in das Bauteil, an dem sie befestigt sind, beispielsweise die Rohbeton-Decke, abführen würden. Zusätzlich sind diese Halteelemente meist nur in größeren Abständen entlang der Wärmeträger-Leitung vorhanden.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind als Halteelemente dagegen gerade solche aus einem gut thermisch leitenden Material wie etwa Metall gewählt. Dies hat mehrere Gründe:
- - Zum einen soll der Wärmeübergang zwischen dem Wärmetauscher-Medium in der Wärmetauscher-Leitung und dem Bauteil, an dem sich das Halteelement für die Wärmetauscher-Leitung befindet, optimiert werden, um beispielsweise Wärme von einem heißen Photovoltaik-Element über dieses thermisch leitende Halteelemente in das Wärmetauscher-Medium zu überführen,
- - des Weiteren soll das Halteelement eine möglichst große Oberfläche besitzen, über die es mittels Konvektion oder Strahlung Wärme an die Umgebung abgeben oder Wärme aus der Umgebung aufnehmen kann. Wenn dieses Halteelemente auf einem schlecht thermisch leitenden Untergrund, wie etwa einer Holzplatte, befestigt ist, findet hierüber kein nennenswerter Wärmeübergang an die Holzplatte statt, wenn der Untergrund dagegen gut thermisch leitend ist, muss dazwischen eine Isolierschicht angeordnet werden.
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In diesem Zusammenhang ist zu verstehen unter
- - einem gut thermisch leitenden Material ein solches, dessen thermische Leitfähigkeit über 1,0 W/mK liegt und
- - unter einem schlecht wärmeleitfähigen Material ein solches, dessen thermische Leitfähigkeit unter 1,0 W/mK liegt.
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Um die genannte Aufgabe zu erfüllen, sind die Halteelemente für die Wärmeträger-Leitungen zum einen nicht nur in Abständen entlang des Verlaufs der Wärmeträger-Leitung angeordnet, sondern über den Großteil dieser Wärmeträger-Leitung, nämlich vorzugsweise überall dort, wo die Wärmeträgerleitung gerade verläuft. Deshalb ist das Halteelemente vorzugsweise als Halteprofil ausgebildet, welches hinsichtlich seines Querschnittes in der Mitte einen Haltebereich mit einer C-förmigen, also hinterschnittenen, Ausnehmung aufweist, in die die Wärmeträger-Leitung - sei es ein biegsames Rohr oder ein Schlauch - eingedrückt werden kann, indem die Halte-Flanken des Haltebereiches elastisch ausgebildet sind.
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Von diesen Haltebereich ragt beidseits jeweils ein Kontakt-Schenkel ab, wobei die von der Öffnung der C-förmige Ausnehmung wegweisenden Rückseiten der beiden Kontakt-Schenkel vorzugsweise zueinander fluchten, sodass es mit dieser Kontaktseite auf einem Untergrund aufgelegt und befestigt, beispielsweise verschraubt oder verklebt werden kann.
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Vorzugsweise ist das Halteprofil also ein Blechbiege-Profil oder ein stranggepresstes Profil, vorzugsweise aus Metall.
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Um die Halteprofile nicht einzelnen handhaben zu müssen, sind mehrere Halteprofile von gleicher Länge parallel verlaufend und zueinander beabstandet zu einem Haltepaneel zusammengefasst, in dem die einzelnen Halteprofile über Querstreben miteinander verbunden sind und die Halteprofile innerhalb eines Haltepaneels vorzugsweise den gleichen Abstand aufweisen. Zum Ausstatten einer Fläche mit einem Wärmeelement müssen also lediglich solche Haltepaneele mit fluchtenden C-förmigen Ausnehmungen in Längsrichtung aneinander gesetzt und in Querrichtung im gewünschten Abstand zueinander angeordnet werden.
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Vorzugsweise sind die jeweils äußeren Halteprofile eines Haltepaneels mit einem solchen Randabstand zum äußeren Rand des Haltepaneels angeordnet, dass beim kontaktierenden seitlichen Aneinandersetzen von Halteprofilen deren zueinander benachbarte äußere Halteprofile den gleichen freien Abstand zueinander einnehmen wie die Halteprofile innerhalb eines Haltepaneels, was die Montage sehr vereinfacht.
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Sobald die entsprechende Fläche mit Haltepaneelen ausgestattet ist, kann die Wärmetauscher-Leitung - wie an sich vom Verlegen von Fußbodenheizungen bekannt - verlegt werden, in diesem Fall mäanderförmig verlegt werden, in diesem Fall durch Eindrücken in die C-förmige Ausnehmungen in den Haltebereichen der Halteprofile, und eine halbkreisförmige Biegung vom Ende der einen zum Ende einer benachbarten C-förmigen Ausnehmung außerhalb der Haltepaneele.
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Ein solches Wärmeelement, bestehend aus Halteprofilen, insbesondere in Form von einem Haltepaneel, und darin aufgenommener Wärmeträger-Leitung, die kontaktierend an dem Halteprofil anliegt und wobei die Wärmeträger-Leitung vorzugsweise ebenfalls aus einem thermisch gut leitfähigen Material besteht, kann zum einen zum Heizen oder Kühlen eines Raumes an der Roh-Decke oder auf dem Roh-Fußboden eines Raumes angeordnet werden.
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Des Weiteren können solche Wärme-Elemente jedoch auch an der Rückseite von plattenförmigen Photovoltaik-Elementen thermisch gut leitend befestigt werden, beispielsweise mittels eines thermisch gut leitenden Klebers die Kontaktfläche der Halteprofile oder Haltepaneele flächig mit der Rückseite der Photovoltaik-Elemente verklebt werden.
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Auf diese Art und Weise entsteht eine sogenannte Energie-Schale, die auf der gleichen Fläche durch das Photovoltaik-Element elektrischen Strom erzeugt und mittels des Wärme-Elementes Wärme, die von den heißen Photovoltaik-Elementen durch Kontakt abgenommen wird, was nicht nur deren Lebensdauer vergrößert, sondern vor allem zusätzlich deren Wirkungsgrad erhöht, denn der Wirkungsgrad eines Fotovoltaik-Elementes ist umso besser, je niedriger die Betriebstemperatur der Photovoltaik-Elemente ist.
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Vorzugsweise ist dabei nicht ein Haltepaneel einem Photovoltaik-Element zugeordnet, sondern die Rückseite einer aus einer Vielzahl von Photovoltaik-Element gebildeten Photovoltaik-Fläche wird über die Fugen zwischen den Photovoltaik-Elementen hinweg durchgehend mit Halteprofilen, insbesondere Haltepaneelen, auf der Rückseite beklebt und anschließend die Wärmeträger-Leitung mäanderförmig darin verlegt, sodass die geraden Abschnitte der mäanderförmigen Wärmetauscher-Leitung in einer Erstreckungsrichtung der in der Regel rechteckigen Photovoltaik-Fläche quasi über deren gesamte Länge gerade durchgehen.
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Wenn dabei eine Lichtdurchlässigkeit dieser Energieschale benötigt wird, kann dies über den Abstand der einzelnen Photovoltaik-Teilflächen, meist den einzelnen Siliziumzellen von denen eine Vielzahl auf einem Photovoltaik-Element angeordnet ist, festgelegt und eingestellt werden. Vorzugsweise ist die fotovoltaische Schicht zwischen zwei durchsichtigen Glasplatten aufgenommen, die gegeneinander verklebt sind.
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Vorzugsweise sind die Halteprofile und insbesondere Haltepaneele so ausgebildet und dimensioniert, dass die hiermit erzeugte Energie-Schale nicht nur eigenstabil ist, sondern auch selbst bei einer nur linienförmigen Unterstützung, deren Abstände mindestens 80 cm, besser mindestens 1 m betragen, auch umweltbedingte Belastungen aushält, beispielsweise bei horizontaler Anordnung auch eine Flächenbelastung über das Eigengewicht hinaus von bis zu 300 kg/m2 aushält.
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Dadurch kann eine solche Energieschale auf dem Dach eines Gebäudes ohne darunter angeordnete, flächig durchgehende oder sehr engmaschige Tragkonstruktion verlegt werden, sodass bereits die Dachsparren - gegebenenfalls mit darauf in Abständen aufgebrachten horizontal verlaufenden Latten - ausreichen, auf denen die Energie-Schale auch direkt verlegt werden kann, falls es sich bei dem Dach um ein sogenanntes Kalt-Dach handeln darf, welches nicht für zum Beispiel Wohnzwecke thermisch isoliert sein muss.
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Dann stellt die Energie-Schale ohne weitere Maßnahmen das Hüll-Element für das Gebäude im Dachbereich, also als Dach-Element, dar. Als Wand-Element umfasst das Hüll-Element dagegen außer der Energie-Schale eine Wandplatte, die den umgebenden Raum thermisch isoliert, und auf deren Außenseite die Energie-Schale mit Abstand befestigt ist. Falls der Zwischenraum unten und oben offen ist, entsteht durch das warme Hüll-Element ein starker Kamineffekt, sodass am oberen Ende des Zwischenraumes angeordnete Rotoren und damit gekoppelte Generatoren zusätzliche Strom erzeugen können, und dabei gleichzeitig die Luft im Zwischenraum abkühlen und damit die Weitergabe von Wärme an die Wandplatte zusätzlich erschweren.
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Solche Wandplatten können auch als Bodenplatten oder Deckenplatten benutzt werden, um den Raum innerhalb des Gebäudes nach unten oder nach oben abzuschließen bzw. die Etagen im Gebäude voneinander zu trennen, also als Geschossdecken.
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Aus diesem großflächigen Hüll-Elementen kann mit geringem Montageaufwand in sehr kurzer Zeit ein Gebäude vor Ort auf der Baustelle zusammengesetzt werden, so dass der Großteil der Montagearbeit vorher und damit werkseitig in einer sauberen und wettergeschützten Umgebung wie einer Werkshalle und mit entsprechenden Hilfsvorrichtungen sehr kostengünstig, teilweise automatisiert, vonstattengehen kann.
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Vorzugsweise besitzt dabei das Photovoltaik-Element bei Betrachtung von außen eine hellere Farbe als schwarz, vorzugsweise braun, sandfarben oder gar weiß, was der gängigen Farbe einer Außenwand eines Gebäudes näher kommt als schwarz.
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Da die Energie-Schale teilweise lichtdurchlässig ist, muss überlegt werden, ob die Außenseite der Wandplatte das hindurchtretende Sonnenlicht eher absorbieren oder eher reflektieren soll, was beispielsweise abhängig von dem Aufstellort und den dort herrschenden Durchschnittstemperaturen entschieden werden muss. Abhängig davon wird für die Außenseite der Wandplatte eine eher helle oder eine eher dunkle Farbe gewählt.
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Ebenfalls abhängig von den Umweltfaktoren am Standort wird die Wandplatte, die in aller Regel aus mehreren Schichten aufgebaut ist, so gewählt, dass hier entweder die thermische Isolierwirkung oder die schalltechnische Isolierwirkung die der Wandplatte im Vordergrund steht, oder ein anderer physikalischer Parameter. Um eine Wärmespeicherwirkung zu erzielen, besitzt die Wandplatte eine Speicherplatte im Inneren, zwischen den Außenschichten, und vorzugsweise zu diesen jeweils beabstandeten aus einem gut wärmespeichernden Material mit einer Wärmespeicherkapazität von mindestens 2000 J/(kgK)
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Die Dicke dieser Speicherplatte kann abhängig von der gewünschten Speicherkapazität gewählt werden, wobei vorzugsweise die Wärmeabgabe der Speicherplatte so stark zeitlich verzögert zum Ende des Aufheiz-Vorganges erfolgt, dass die gegen Ende des Tages von der Speicherplatte aufgenommene Wärme im Wesentlichen erst ab Beginn der Nacht, also nach mindestens 5 h, besser 7 h, wieder abgegeben wird.
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Vorzugsweise ist eine mehrschichtige Wandplatte so aufgebaut, dass wenigstens eine der äußeren Schichten, vorzugsweise auf beiden Seiten, jeweils eine massive Platte aus einem Holzwerkstoff, wie etwa eine Schichtholz-Platte oder USB-Platte, ist vorzugsweise mit einer Dicke von mindestens 2 cm, besser mindestens 3 cm.
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Wenigstens eine der Außenschichten, insbesondere die äußerste Schicht dabei die äußerste Schichten, kann - anstelle oder vorzugsweise zusätzlich zu der massiven Platte aus Holzwerkstoff - eine Magnesiumoxid-Platte sein, die zu mehr als 80 Gewichts-%, besser zu mehr als 90 Gewichts-% aus Magnesiumoxid besteht, und die annähernd unbrennbar ist, da ihr Schmelzpunkt erst bei 2800 °C liegt.
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Gerade bei einem Aufbau der Wandplatte und anderer Gebäudeteile mit hohem Holzanteil oder Anteil aus anderen brennbaren Stoffen ist eine solche Magnesiumoxid-Platte ein sehr wirksamer Brandschutz.
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Um die Bruchfestigkeit der Magnesiumoxid-Platte zu verbessern, die primär meist aus gepresstem und/oder verklebtem Magnesiumoxid-Pulver besteht, sind in den Magnesiumoxid-Platten stabilisierende Anteile, beispielsweise Fasern oder ein Gewebe oder ein Gitter, integriert, beispielsweise aus Glasfasern.
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Vorzugsweise besitzt die Wandplatte auch im mittleren Bereich ihrer Dicke eine stabilisierende Platte aus einem beispielsweise Holzwerkstoff, die die Stabilität der gesamten Wandplatte weiterhin erhöht. Vorzugsweise ist die Wandplatte hinsichtlich ihres Querschnittes symmetrisch aufgebaut.
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Die Befestigung der Wandplatten erfolgt vorzugsweise nicht direkt gegeneinander, sondern eine Wandplatte wird in der Regel zwischen zwei aufrecht stehenden Stützen montiert und ist hierfür an den in der Aufsicht betrachtet seitlichen Rändern formschlüssig mit einer solchen aufrechten Stütze verbunden und wird von oben eingeschoben, sodass die Umfangswände Stück für Stück aufgebaut werden.
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Trotz der vorgelagerten Energie-Schale oder falls eine solche nicht vorhanden ist, kann die Außenseite der Wandelemente mit einem Schutzanstrich versehen sein, der die Witterungseinflüsse auf die Wandplatte möglichst gering halten soll.
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Vorzugsweise ist der Außenanstrich diffusionsoffen, aber wasserdicht, und vorzugsweise selbst reparierend, indem Rückschlüsse aufgrund thermischer Spannungen entweder nicht entstehen - da der Anstrich eine sehr hohe Dehnbarkeit aufweist - oder sich selbsttätig wieder dicht verschließen.
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Vorzugsweise besteht der Außenanstrich aus einer wässrigen Kunststoffdispersion, insbesondere einer Acryl-Dispersion, in der ein hoher Anteil, vorzugsweise über 50 Volumen-% und bis zu 90 Volumen-%, von mikroskopisch kleinen Hohlkugeln aus Keramik oder Glas enthalten sind mit Durchmessern im Bereich vorzugsweise unterhalb 1/5 mm vorzugsweise unterhalb 1/10 mm. Dadurch wird eine gleichmäßige Wärmeverteilung in dem Außenanstrich erreicht sowie eine hohe Abtriebfestigkeit
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Hinsichtlich eines Gebäudes wird die bestehende Aufgabe dadurch gelöst, dass die Außenhülle des Gebäudes aus den zuvor beschriebenen Dach-Elementen und/oder den zuvor beschriebenen Wand-Elementen besteht, vorzugsweise nur aus diesen besteht.
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Zusätzlich ist in den einzelnen Räumen des Gebäudes an der Decke und/oder auf dem Fußboden eines der vorbeschriebenen Wärme-Elemente angeordnet, um mittels hindurchfließendem heißen oder kalten Wärmeträger-Medium den entsprechenden Raum zu kühlen und/oder zu heizen.
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Da hierbei die entsprechende Rohdecke oder Rohfußboden möglichst wenig Wärmeaustausch mit dem Wärme-Element haben soll, ist das Wärme-Element vorzugsweise thermisch isoliert an der Rohdecke oder dem Rohboden befestigt, beispielsweise mit einem thermischen Isolierstreifen dazwischen. Sofern der Rohboden oder die Rohdecke selbst aus einem thermisch gut isolierenden Material wie etwa Holz besteht, kann hierauf verzichtet werden.
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Vorzugsweise ist das Dach des Gebäudes als zumindest einseitig angewalmtes Walmdach - welches auf einer Stirnseite des Daches, vorzugsweise der Nordseite, also einen Giebel besitzen kann - ausgebildet, sodass bei einem rechteckigen Gebäude - alle vier Seiten des Daches eine Dachschräge aufweisen.
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Dies hat den Vorteil, dass der Anteil der Dachfläche, der bei einem Sonnenzyklus über den Tag von Sonnenlicht bestrahlt wird, deutlich höher ist als bei einem Satteldach, insbesondere wenn das Satteldach einen Dachüberstand aufweist, und selbst wenn bei einem solchen Satteldach der Giebel ebenfalls mit einem solchen Energie-Element ausgestattet wäre. Zu diesem Zweck sind die Fotovoltaik-Elemente nicht nur in Form rechteckiger Elemente verfügbar, sondern auch in Form von dreieckigen Elementen, wobei vorzugsweise eine Kantenlänge eines der Dreiecke einer Kantenlänge einem der Vierecke entspricht. Natürlich korreliert der Spitzen-Winkel dieser in der Regel mitten-symmetrischen Dreiecke mit der Dachneigung des Walm-Daches.
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Für den energietechnischen Betrieb des Gebäudes müssen außer den Wärme-Elementen und den Photovoltaik-Elementen natürlich weitere Elemente vorhanden sein, zumindest ein elektrischer Stromspeicher, kurz Akku, zum Speichern, zumindest Zwischenspeichern, des von den Photovoltaik-Elementen erzeugten Stromes und ein thermischer Speicher, kurz Speicherkessel, zum Aufnehmen von erwärmten Wärmeträger-Medium und der darin gespeicherten thermischen Energie, und natürlich die entsprechenden Leitungsverbindungen dazwischen.
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Der Speicherkessel ist vorzugsweise als Schichtspeicher ausgebildet.
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Ferner umfasst die Ausstattung mindestens eine Pumpe, vorzugsweise mehrere Pumpen, um das Wärmeträger-Medium in den Leitungen zirkulieren zu lassen, sowie Leitungs-Verteiler, um von einer Hauptleitung das Wärmeträger-Medium in die einzelnen Kreisläufe, beispielsweise für die Heiz-/Kühldecken der einzelnen Räume, strömen zu lassen.
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Da die Energie-Verbraucher des Gebäudes primär mit dem selbst erzeugten elektrischen Strom betrieben werden sollen, umfasst das Gebäude wahlweise zusätzlich eines oder mehrere der folgenden elektrischen Verbraucher:
- - eine Strom-Zapfstelle für jede Art von Elektro-Fahrzeug, zum Beispiel auf der Außenseite des Hauses oder abseits des Hauses, zum Betanken eines solchen Elektrofahrzeuges, welches ein Auto, ein Motorrad, ein Fahrrad oder auch ein Rasenmäher mit Elektroantrieb sein kann,
- - eine elektrisch betriebene Kochstelle, insbesondere einen Herd und/oder einen Backofen und/oder einen Grill, auch einen Gartengrill,
- - natürlich eine elektrisch betriebene Beleuchtungsanlage,
- - eine elektrisch betriebene Waschmaschine, insbesondere mit Warmwasser-Zulauf, um die vor allem im Sommer im Überfluss vorhandene Wärme aus dem Speicherkessel nutzen zu können zum aufheizen des Brauchwassers für die Waschmaschine
- - ebenso eine elektrisch betriebene Spülmaschine, insbesondere wiederum mit einem Warmwasser-Anschluss, wobei das hierfür benötigte warme Brauchwasser wie bekannt über einen Wärmetauscher im Speicherkessel von dem in einem geschlossenen Kreislauf zirkulierenden Wärmetauscher-Medium aufgeheizt werden wird
- - eine elektrisch betriebene Wärmepumpe, welche bei Bedarf dazu dient, warum Wärmeträger-Medium Wärme zu entziehen und dadurch kühles Wärmeträger-Medium zu erzeugen, da beispielsweise für die Kühlung des Gebäudes benötigt, oder umgekehrt warmes Wärmeträger-Medium zu erzeugen für die Beheizung des Gebäudes oder abschmelzen der schneebedeckten Fotovoltaik-Elemente
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Des Weiteren ist natürlich eine zentrale, meist elektronische, Steuerung vorhanden, die unter anderem die Energieströme innerhalb des Gebäudes steuert.
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Vorzugsweise kann das Dach gegenüber dem Rest des Gebäudes anhebbar und absenkbar sein, insbesondere motorisch anhebbar und absenkbar, beispielsweise um einen Abstand zwischen der Oberkante der umlaufenden Brüstung des Dachgeschosses und der Unterseite des Daches zu schaffen und dadurch eine überdachte, aber seitlich offene Dachterrasse zu bilden.
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Das Gebäude umfasst ferner vorzugsweise mindestens einen Wasserspeicher, wobei unter Wasser nicht reines Wasser verstanden werden muss, sondern das Wasser durchaus Zusätze wie beispielsweise zum Verhindern des Gefrierens, des Veralgens, des Verkeimens u.ä. enthalten kann.
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Einer dieser Wasserspeicher ist ein Warmwasser-Speicher, der also als thermischer Speicher fungiert, und der gegenüber der Umgebung deshalb thermisch isoliert ist.
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Vorzugsweise ist ein weiterer Wasser-Speicher, nämlich ein Kaltwasser-Speicher vorhanden, wobei das in dem Kaltwasser-Speicher enthaltene Wasser kälter sein soll als das im Warmwasser-Speicher enthaltene Wasser.
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Je nach Positionierung des Kaltwasser-Speichers und den lokalen klimatischen Bedingungen kann dieser ebenfalls gegenüber der Umgebung thermisch isoliert sein, bei vollständiger oder teilweiser Einbringung im Untergrund - gerade in gemäßigten Klimazonen - kann er dagegen gegenüber dem Untergrund gerade nicht thermisch isoliert sein, sodass das kühlere Erdreich das im Kaltwasser-Speicher enthaltene Wasser kühlen kann.
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Vorzugsweise umfasst das Gebäude auch einen Brauchwasser-Speicher, indem beispielsweise Regenwasser gesammelt wird und der deshalb mit den Dachrinnen in Verbindung steht.
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Der wenigstens eine, vorzugsweise die mehreren, Wasser-Speicher werden vorzugsweise zur Stabilisierung des Gebäudes verwendet:
- Sofern der oder die Wasser-Speicher auf dem Untergrund stehen oder vorzugsweise in den Untergrund ganz oder teilweise eingelassen sind, dienen sie der Stabilisierung dadurch, dass das Gebäude gegenüber diesen - vor allem nach Befüllung mit Wasser - sehr schweren Wasserspeichern fest verbunden ist, die dadurch wie Bodenanker wirken.
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Ein Teil der Wasser-Speicher kann auch in erhöhten Teile des Gebäudes angeordnet werden, um eine Last auf vor allem die tragenden Wände, in der Regel die Außenwände, des Gebäudes auszuüben und diese schwerkraftbedingt am Boden zu halten, auch wenn beispielsweise starke Windkräfte das Dach des Gebäudes von unten nach oben beaufschlagen.
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Vorzugsweise wird hierfür der Brauchwasser-Speicher in erhöhten Teilen des Gebäudes angeordnet, vorzugsweise platzsparend als Brüstung des Dachgeschosses, also bei einem festmontierten Dach als Kniestock des Daches.
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Dies hat den zusätzlichen Vorteil, dass zur Nutzung des Brauchwassers dessen Fallhöhe für einen ausreichenden Wasserdruck sorgt und nicht einmal eine elektrische Pumpe benötigt wird, um mittels des Wassers aus dem Brauchwasser-Speicher im darunter liegenden Gebäude eine Toilette zu spülen oder ein Waschmaschine mit Brauchwasser zu versorgen.
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Sofern das Dach - was optional angeboten wird - gegenüber dem Rest des Gebäudes anhebbar und absenkbar ist - insbesondere zwischen einer auf der umlaufenden Brüstung fast oder vollständig aufliegenden Stellung und einer demgegenüber um vorzugsweise mindestens einen halben Meter, besser mindestens einen Meter abgehobenen Stellung - dient die umlaufende Brüstung natürlich nicht mehr als Kniestock zum Abtragen der Gewichtskraft des Daches, sondern die in der Höhe ausfahrbaren Stützen, mittels der das Dach gesteuert angehoben und abgesenkt werden kann.
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Zusätzlich kann das Gebäude auch einen Trinkwasser-Speicher umfassen, der entweder aus gereinigtem, insbesondere gefiltertem, Regenwasser aus den Dachrinnen nachgefüllt wird und/oder mittels einer Kondensations-Anlage, die aus der Umgebungsluft Wasser durch Kondensation abscheidet.
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Dabei kann die Kondensation durch absenken der Temperatur der Luft bewirkt werden, wodurch auch die Wasser-Aufnahmefähigkeit der Luft sinkt. Hierfür kann eine konventionelle Klimaanlage mit Kompressor und Verdampfer verwendet werden, wobei das erzeugte Kondenswasser gesammelt und zusätzlich die erzeugte kühle Luft für die Raumtemperierung benutzt werden kann.
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Auch ohne konventionelles Klima-Aggregat kann - insbesondere mittels einer geneigt verbauten Unter-Spannfolie, die die Unterseite der Energie-Elemente mit Abstand abdeckt, - Kondenswasser erzeugt werden, wenn die KlimaBedingungen in der Umgebung des Gebäudes dies zulassen und/oder die unter-Spannfolie oder die kühlen halte-Profile die Luft entsprechend abkühlen.
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Auch eine - insbesondere mit selbstproduzierten Überschuss-Strom betriebene - Wärmepumpe kann zum Abkühlen der Umgebungsluft und Auskondensieren des darin enthaltenen Wassers benutzt werden.
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Darüber hinaus kann eine solche vorhandene Wärmepumpe für weitere Zwecke genutzt werden,
- - sei es zum Entziehen von Wärme aus einem vorhandenen geothermischen, offenen oder geschlossenen, Wasserkreislauf und damit das Gebäude zu beheizen,
- - sei es zum Entziehen von Wärme aus dem durch die Wärmeelemente an den Raumdecken strömenden Wasser.
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Vorzugsweise enthält das Gebäude ein gebäude-internes elektrisches Netz, also Bordnetz, welches vorzugsweise mittels Geleichstrom auf Niedervolt-Basis, also mit einer Betriebsspannung zwischen 10 Volt und 50 Volt, betrieben wird.
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Damit können alle Niedervolt-Gleichstrom-Verbraucher ohne einzelne Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom direkt daran angeschlossen werden, und dies sind vorzugsweise die auf LED-Basis betriebene Beleuchtung und/oder die im und am Haus vorhandenen Sensoren und/oder die Zentralsteuerung, die das gesamte Gebäude, insbesondere dessen Energie-Management, steuert und/oder die im Haus vorhandenen Computer und/oder die im Haus vorhandenen Bildschirme und/oder der elektrische Akku.
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Da im Niedervolt-Bereich die Übertragung von großen elektrischen Leistungen schwierig ist, werden höchsten die elektrischen Verbraucher mit hohem Leistungsbedarf wie Herd, Backofen, Waschmaschine, Spülmaschine mit einer höheren Voltzahl und vorzugsweise mit Wechselstrom betrieben, der entweder aus dem über die Fotovoltaik-Elemente erzeugten Gleichstrom mittels Gleichrichtern erzeugt wird oder auch aus dem öffentlichen Wechselstrom-Netz bezogen werden kann.
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Auf der Oberseite und/oder Außenseite der Brüstung im Dachgeschoss können vorzugsweise Beete, insbesondere in Form von vergrößerten Balkon-Blumenkästen, angeordnet sein, in denen Gemüse und Kräuter gezogen werden können.
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Da das Dach vorzugsweise einen Dachüberstand über die AußenAbmessungen des Gebäudes und damit auch die Brüstung hinaus aufweist, müssen diese Brüstungs-Beete aktiv mit Wasser versorgt werden, was insbesondere bei einem in der Brüstung integrierten Brauchwasser-Tank einfach und auch automatisch gesteuert möglich ist.
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Die vorzugsweise nur aus der Energie-Schale bestehenden Dach-Module und das Ganze aus den Dach-Modulen bestehende Dach ist vorzugsweise auf der Unterseite wasserdicht abgedeckt von einer Unter-Spannfolie, die Wasser, welches ggfs. durch Undichtigkeiten im Energie-Element durchdringt, aufgrund ihrer Neigung nach unten außen zu ihrer Unterkannte ableitet.
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Diese Unterkante befindet sich - vorzugsweise über ihre gesamte umlaufende Länge - knapp oberhalb der Dachrinne, sodass auch dieses Wasser über die Dachrinne abgeleitet wird und nicht auf die Oberseite des restlichen Gebäudes, also den Fußboden des Dachgeschosses, gelangen kann.
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Um den Lichteinfall im Dachgeschoss grob festlegen zu können, sind die Fotovoltaik-Elemente in unterschiedlichen Transparenz-Graden verfügbar, wobei in der Regel mit zunehmender Transparenz die Effizienz der Stromerzeugung pro Fläche etwas abnimmt. Dennoch kann auf diese Art und Weise ausreichend Licht ins Dachgeschoss gelangen, ohne dort aufwändige konstruktive Maßnahmen für den Lichteinfall durchführen zu müssen, wie etwa Dachflächen-Fenster o.ä., die auch immer Dichtigkeitsprobleme nach sich ziehen.
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Vorzugsweise sind die Fotovoltaik-Elemente mit ihrer nach der Sonne auszurichtenden Oberfläche mit einer Nano-Beschichtung ausgestattet, die die Haftreibung gegenüber daran haftenden Gegenständen stark reduziert und dadurch selbstreinigend wird, indem Verschmutzungen durch den Regen abgewaschen werden.
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Für den Lichteinfall in den Etagen unter dem Dachgeschoss sind wie üblich Fenster vorhanden.
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Vor allem wenn die Fenster bis zum Boden reichen und insbesondere auf Wandhöhe Fensterelemente verwendet werden, insbesondere Teile der Außenfläche vollständig verglast sind, kann der Lichteinfall und auch die Einsehbarkeit ins Gebäude vorzugsweise durch Innen-Rollos oder Außen-Rollos an den Fenstern gesteuert werden.
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Vorzugsweise sind zwei verschiedene Rollos vorhanden, wobei eines blickdicht aber lichtdurchgängig ist, dass andere dagegen vollständig lichtundurchlässig ist und somit zum Abdunkeln im Inneren des Gebäudes dient.
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Vorzugsweise ist eines davon, vorzugsweise das vollständig lichtundurchlässige Rollo, das Außen-Rollo, dass andere vorzugsweise das Innen-Rollo.
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Vorzugsweise besitzt das wenigstens eine Rollo eine Ruhestellung, in der das Solo auf einer Wickelrolle auf gewickelt ist oder in einem Reservoir zusammengeschaltet ist. Die Ruhestellung, also die Wickelrolle oder das Reservoir, befindet sich an der Unterkante der zu verdunkelnden Fläche und kann von dort mit seiner freien Endkante nach oben bewegt werden.
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Dadurch kann die optische Wirkung eines bodenhohen oder wandhohen Fensters optisch in eine Brüstung umgewandelt werden.
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Insbesondere wenn ein zweites Rollo umgekehrt, also mit Wickelrolle oder Falten-Behälter an der Oberkante und von dort aus nach unten bewegbarer Unterkante vorhanden ist, kann die Größe des dazwischen verbleibenden frei einsichtigen Fensters und dessen Höhenlage je nach Situation im Inneren des Gebäudes frei eingestellt werden.
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Der Energiebedarf des Gebäudes kann ferner dadurch gering gehalten werden, dass das zu temperierende Innen-Volumen des Gebäudes und damit insbesondere die Geschoss-Flächen des Gebäudes, gering gehalten werden.
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Da beispielsweise bei Benutzung als Wohngebäude die Bewohner unterschiedliche Funktionen des Gebäudes und der Wohnräumen erwarten, wie etwa eine Nasszelle, eine Toilette, eine Schlafmöglichkeit, eine Kochmöglichkeit, kann die Raumgröße gering gehalten werden durch Maßnahmen, die den Raumbedarf für diese einzelnen Funktionen reduzieren:
- Eine Möglichkeit ist die Verwendung sogenannter smarter, also multifunktionaler, Möbel:
- Darunter werden Möbel verstanden, die zwischen einer aktivierten Stellung und einer deaktivierten Stellung verstellbar sind, wobei die deaktivierte Stellung einen deutlich geringeren Bedarf an Grundfläche innerhalb des Wohnraumes einnimmt als die deaktivierte Stellung, wie beispielsweise bei einem Klappbett.
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Solche smarten Möbel können jedoch auch je nach ihrer Lage und Positionierung unterschiedliche Funktionen erfüllen, beispielsweise als Schreibtische einerseits, Sideboard im Wohnbereich oder Esstisch andererseits.
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Solche smarten Möbel können beispielsweise auch allein durch Veränderung ihrer Lage, und ohne selbst ihre Grundfläche zu verändern, zwischen einer aktivierten und deaktivierten Lage verstellbar sein, in der sie in der aktivierten Lage von mehreren Seiten als in der deaktivierten Lage zugänglich und erst dadurch gut benutzbar sind.
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Ein Beispiel hierfür ist etwa eine Küche, die nach Art einer Koch-Insel für die Benutzung von mehreren Seiten her zugänglich sein muss, in der deaktivierten Lage jedoch nahe an eine Wand des Gebäudes geschoben werden kann, insbesondere in eine Ecke des Raumes geschoben werden kann und dadurch die im aktivierten Zustand benötigten Verkehrsflächen für andere Zwecke zur Verfügung stehen.
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Vorzugsweise ist eine solche Küche als Rondell gestaltet, welches sich - vorzugsweise in einzelnen Etagen übereinander - um eine aufrechte Achse drehen lässt, wobei auch die elektrischen Geräte wie Herd, Backofen, Kühlschrank enthaltende Etage vorzugsweise drehbar ist.
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Im deaktivierten, insbesondere in die Ecke geschobenen Zustand kann die Küche auch durch Schließen eines horizontal oder vertikal verschließbaren bewegbaren Raumteilers, wie eines Horizontal-Lamellen-Rollos abgedeckt werden.
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Vorzugsweise ist das Bad ebenfalls in einer Ecke eines Raumes untergebracht, wobei sie aus optischen Gründen zum Raum hin rund oder abgerundet gestaltet sein kann wie die Küche.
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Allerdings ist das Bad in aller Regel nicht drehbar, auch nicht die darin einen Teil der Fläche einnehmende Nasszelle, erst recht nicht der Bad-Raum vor der Nasszelle. Da das Bad und/oder die Nasszelle nach oben in geschlossen sind, um den Dampf nicht im Gebäude zu verteilen, sind im Bad und/oder der Nasszelle die Wandflächen mit dahinterliegenden Wärmeelementen ausgestattet, die die Luft in Fahrt oder Nasszelle höher temperierten als im Rest des Gebäudes.
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Die Außenflächen der Außenwände, also der als Außenwände dienenden Wand-Platten, können vorzugsweise mit einer Beschichtung oder Farbe in einem wählbaren Farbton beschichtet werden, die vorzugsweise als Grundstoff aus keramischem Material besteht und Mikro-Glaskugeln mit einer Größe von 0,01 mm bis 1,0 mm enthält, insbesondere in einem Gewichts-Anteil zwischen 10% und 80%,, besser zwischen 20 % und 60 % und darüber hinaus die FarbPigmente, um die gewünschte Farbe der Beschichtung zu erzielen.
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Durch diese Mikro-Glaskugeln wird die Wärme der Luft an der Wand entlang in der Höhe gleichmäßiger verteilt und die Wärmeschichtung im Luftraum, zumindest in Wandnähe erschwert. Da die Mikro-Glaskugeln auch Strahlungswärme abgeben, wird auch entfernt von der Wand vom Menschen die vorhandene Temperaturschichtung weniger stark wahrgenommen.
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Hinsichtlich des Verfahrens zum energietechnischen Betreiben eines solchen Gebäudes wird die bestehende Aufgabe dadurch gelöst, dass bei einem Gebäude mit der beschriebenen energietechnischen Ausstattung zunächst einmal wie bekannt der von den Photovoltaik-Elementen erzeugte Strom zum Betreiben aller elektrischen Verbraucher des Gebäudes benutzt wird, gegebenenfalls unter Zwischenspeicherung im Akku und die von den Wärme-Elementen gesammelte thermische Energie zum Betreiben der Raumheizung und der Versorgung der Warmwasser-Verbraucher verwendet wird, gegebenenfalls unter Zwischenspeicherung im thermischen Speicher.
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Die erfindungsgemäße Besonderheit liegt darin, dass zum einen sowohl elektrische Energie als auch thermische Energie auf derselben Fläche der Außenhülle des Gebäudes erzeugt bzw. gesammelt wird, insbesondere indem die beim Erzeugen von elektrischem Strom erfolgende Aufheizung der Photovoltaik-Elemente mittels der Wärme-Elemente abgenommen und als thermische Energie gespeichert wird und hierdurch auch die Photovoltaik-Elemente gekühlt werden.
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Die in der Energie-Schale, insbesondere den einzelnen Energie-Elementen, an der Rückseite der Fotovoltaik-Elemente vorhandenen Wärmeträger-Leitungen können dabei für unterschiedliche Zwecke benutzt werden:
- Bei starker Sonneneinstrahlung und/oder hoher Außen-Temperatur erhitzen sich Fotovoltaik-Elemente, und mit der steigenden Betriebstemperatur sinkt die Effizienz ihrer Stromerzeugung.
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Indem man durch die Wärmeträger-Leitungen gegenüber der Temperatur der Fotovoltaik-Elemente kühleres Wärmeträger-Medium leitet, wofür sogar das im Wärmeträger-Speicher vorhandene Wärmeträger-Medium hinsichtlich seiner Temperatur genügen kann - wird von der Wärmeträger-Leitung aus das Halteprofil gekühlt und über dessen thermisch gut leitfähige Verbindung, insbesondere Verklebung, auch die daran anliegenden Bereiche des Fotovoltaik-Elementes, sodass dessen Temperatur sinkt oder niedriger gehalten werden kann als ohne eine solche Kühlung und dessen Stromerzeugung sich verbessert.
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Umgekehrt kann es in kalten Regionen, in denen es Schneefall gibt und sich Schnee auf den Fotovoltaik-Elementen ablagert und damit die Sonneneinstrahlung und Stromerzeugung durch die Fotovoltaik-Elemente verhindert, zur Schneebefreiung benutzt werden:
- Hierfür muss lediglich Wärmeträger-Medium mit einer Temperatur über 0° C durch diese Wärmeträger-Leitungen auf der Rückseite der Fotovoltaik-Elemente geleitet werden, bis sich deren Außenseite ebenfalls auf oberhalb 0° C erwärmt und dadurch die unterste Schicht des darauf lastenden Schnees taut, der daraufhin auf diesem Tauwasser schwerkraftbedingt von dem Fotovoltaik-Element nach untern abrutschen wird.
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Um für eine dieser Aufgaben oder auch für die Benutzung im Gebäude unterschiedliche Temperatur-Niveaus in Form von Wärmeträger-Medium zur Verfügung zu haben, also Warmmedium und Kaltmedium - wobei in der Regel für beides jeweils ein thermischer Speicher vorhanden ist - kann beim Mangel an der einen Temperatur-Art dieser behoben werden, indem mittels einer Wärmepumpe aus der dann meist im Überfluss vorhandenen anderen Temperatur-Art Wärmeträger-Medium der gewünschten Temperatur-Art erzeugt und entweder sofort verbraucht oder vorgehalten wird.
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Die Wärmepumpe, also in der Regel eine Flüssigkeits-Luft-Wärmepumpe, ist elektrisch betrieben mittels des von den Fotovoltaik-Elementen erzeugten Stromes, und diese Umwandlung wird vorzugsweise dann durchgeführt, wenn die Fotovoltaik-Elemente viel Strom erzeugen, also vorzugsweise tagsüber.
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So kann in heißen Gegenden der erzeugte Strom direkt zum Erzeugen von gegenüber der Umgebungsluft kühlerem Wärmeträger-Medium benutzt werden, welches mittels Durchströmung der Wärmeträger-Leitungen am Boden oder unter der Decke des Gebäudes die Räume des Gebäudes kühlt.
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Die Wärmepumpe kann auch einen Anschluss an das Grundwasser oder im Boden verlegte Wärmesammel-Leitungen, die von Wärmeträger-Medium durchströmt sind, verfügen, und zum Beheizen des Gebäudes - vor allem in kälteren Gegenden - mittels des von den Fotovoltaik-Elementen erzeugten Stromes dem vom Untergrund / Grundwasser auf ca. 10° C gehaltenen Wärmeträger-Medium Wärme entziehen und damit das Wärmeträger-Medium eines vorzugsweise anderen Kreislaufes, erwärmen, beispielsweise Wärmeträger-Medium, welches durch die Wärmeträger-Leitungen in den Räumen des Gebäudes geführt wird, um diese zu beheizen.
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Vorzugsweise sind die Wärmeträger-Leitungen des Gebäudes in einzelne Teil-Kreisläufe unterteilt, so dass beispielsweise die Wärmeträger-Leitungen unter jeder der einzelnen Dach-Module, die eine Seite des Daches bilden, einen einzelnen Teil-Kreislauf bilden, und ebenso die der einzelnen Außenwände des Gebäudes und auch die Wärmeträger-Leitungen an der Decke oder im Boden der Räume des Gebäudes für jeden Raum einen Teil-Kreislauf bilden.
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Dadurch ist es möglich, bei Bedarf einer bestimmten Temperatur-Art ein Wärmeträger-Medium in einem dieser Teil-Kreisläufe diesen zunächst mit einem anderen Teil-Kreislauf zu verbinden, der diese Temperatur-Art momentan besitzt.
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Häufig kann bereits auf diese Art und Weise, zumindest über eine bestimmte Zeit, der Bedarf an dieser Temperatur-Art gedeckt werden, so dass die Wärmepumpe erst dann eingesetzt werden muss, wenn dies nicht mehr ausreicht.
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Die Verschaltung der einzelnen Teil-Kreisläufe kann in diesem Fall über die Steuerung automatisch erfolgen, wobei insbesondere mittels einer sogenannten hydraulischen Weiche auch eine Selbstregulierung, also noch ohne Einsatz der Steuerung, erreicht werden kann.
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Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform wird der von den Fotovoltaik-Elementen erzeugte elektrische Strom zum Betreiben der elektrischen Haushaltsgeräte sowie der Umwälzpumpen für das Wärmeträger-Medium in den Wärmeträger-Leitungen, der Wärmepumpe und gegebenenfalls zum Beliefern der Strom-Tankstelle verwendet, gegebenenfalls unter Zwischenspeicherung im Akku, die von den Wärme-Elementen gesammelte thermische Energie zum Betreiben der Raumheizung und der Versorgung der Warmwasser-Verbraucher verwendet, gegebenenfalls unter Zwischenspeicherung im thermischen Speicher, sowohl die elektrische Energie als auch die thermische Energie auf derselben Fläche der aus Fotovoltaik-Elementen und Wärme-Elementen übereinander angeordneten Energie-Schale erzeugt, insbesondere indem die beim Erzeugen von elektrischen Strom erfolgende Aufheizung der Fotovoltaik-Elemente mittels der Wärme-Elemente abgenommen wird und hierdurch die Fotovoltaik-Elemente gekühlt werden.
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Im Rahmen einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden beschneite Fotovoltaik-Elemente abgetaut, indem Wärmeträger-Medium mit einer Temperatur über 0 °C durch die Wärme-Elemente geleitet wird.
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Im Rahmen einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kühlt eine mittels des durch die Fotovoltaik-Elemente erzeugten Stromes betriebene Wärmepumpe das Wärmeträger-Medium ab und verwendet es
- - mittels Durchführung im Inneren des Gebäudes zum Kühlen der Innenluft und/oder
- - zum Auskondensieren der in warmer Umgebungsluft enthaltenen Feuchtigkeit zur Erzielung von Trinkwasser und/oder Nutzwasser.
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Im Rahmen einer weiteren bevorzugten Ausführungsform entzieht eine mittels des durch die Fotovoltaik-Elemente erzeugten Stromes betriebene Wärmepumpe dem Grundwasser Wärme und heizt das Wärmeträger-Medium auf und lädt den thermischen Speicher auf oder beheizt das Gebäude direkt mittels Hindurchleitung durch die Wärmeträger-Leitungen im Inneren des Gebäudes oder beheizt die Fotovoltaik-Elemente.
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Im Rahmen einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Wärmeträger-Leitungen in Teil-Kreisläufe unterteilt, insbesondere entsprechend den einzelnen Dachflächen und Wandflächen außen am Gebäude und/oder den einzelnen Räumen im Inneren des Gebäudes und die energietechnische Steuerung des Gebäudes steuert die einzelnen Teile-entsprechend des Bedarfs an unterschiedlichen Energie-Niveaus in den einzelnen Teil-Kreisläufen und im thermischen Speicher, insbesondere wird bei beschneiten Dachflächen der Wärmeträger-Kreislauf unter der im Tagesverlauf als erstes beschienenen Dachfläche direkt mit dem Wärmeträger-Kreislauf der im Tagesverlauf nächsten beschienenen Dachfläche oder aller anderen Dachflächen verschaltet.
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Im Rahmen einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird warmes Wärmeträger-Medium nachts durch den Wärmeträger-Kreislauf unter den Dachflächen zum Abkühlen hindurchgepumpt zur Erzielung von abgekühltem Wärmeträger-Medium und das abgekühlte Wärmeträger-Medium am nächsten Tag zum Kühlen des Gebäudes verwendet.
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Im Rahmen einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird elektrischer Strom erzeugt mittels eines von bewegter Luft angetriebenen und mit einem Generator gekoppelten Wind-Rotors, der auf dem Dach angeordnet wird zum Antreiben mittels Außenluft und/oder der über dem Abstand zwischen Energieschale und Außenwand angeordnet wird zum Antreiben durch darin aufsteigende, durch die Energieschale aufgeheizte, Luft.
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Figurenliste
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Ausführungsformen gemäß der Erfindung sind im Folgenden beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen:
- 1: einen Teil eines erfindungsgemäßen Gebäudes in perspektivische Ansicht,
- 1a: einen Schnitt entlang der Linie A - A durch das Dach des Gebäudes gemäß 1
- 1b: einen Schnitt entlang der Linie B - B durch eine Wand des Gebäudes gemäß 1
- 1c: einen Schnitt entlang der Linie C - C durch eine Decke des Gebäudes gemäß 1
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1 zeigt ein Gebäude 100, bei dem auf dem Korpus 100b des Gebäudes - bestehend aus einer Bodenplatte 106 und einer Deckenplatte 105 sowie Wandelementen 90 dazwischen - ein Dach 100a aufgesetzt ist, wobei das Gebäude 100 erfindungsgemäß gestaltet und ausgestattet ist:
- Sowohl die Dachflächen - obwohl nicht eingezeichnet, vorzugsweise alle Dachflächen - als auch zumindest ein Teil der Wandflächen, also der Außenseite der Wandelemente 90, weisen eine Energieschale 50 auf, die in 1a näher dargestellt ist und im Querschnitt aus äußeren Fotovoltaik-Elementen 40 und auf deren Innenseiten angeordneten Wärme-Elementen 30 besteht.
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Da solche Fotovoltaik-Elemente 40 in aller Regel in Form von rechteckigen Platten hergestellt werden, wurden damit bisher in aller Regel nur die ebenfalls rechteckigen Dachflächen von Satteldächern ausgestattet, obwohl Walmdächer mit ihren trapezförmigen oder dreieckigen Dachflächen - weltweit betrachtet - wesentlich häufiger sind und vor allem den Vorteil aufweisen, dass sie in alle Richtungen geneigte Dachflächen besitzen.
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Wenn das Dach 100a beispielsweise eine Firstrichtung von Ost nach West besitzt, können mithilfe der Energieschale 50 auf den angewalmten östlichen und südlichen Giebelflächen hohe Zusatzerträge an erzeugtem Strom und in diesem Fall auch Wärme erzielt werden.
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Im vorliegenden Fall ist der First in Form einer schmalen horizontalen Fläche, also ohne Spitze, ausgebildet, und die First-Fläche ebenfalls aus Fotovoltaikelementen 40 erstellt, was jedoch nicht Voraussetzung für ein erfindungsgemäßes Gebäude 100 ist.
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Vorzugsweise sind die rechteckigen Fotovoltaikelemente 40 so beschaffen, dass sie vor Ort auf der Baustelle zugeschnitten werden können auf die benötigte Form.
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Die Form der einzelnen Fotovoltaikelemente 40 muss sehr exakt der Soll-Form entsprechen, da bei dem erfindungsgemäßen Dach 100a, wie in 1a im Schnitt dargestellt, die Energieschale 50 gleichzeitig die witterungsdichte Dachhaut darstellt, also sich unter den Fotovoltaikelementen 40 keine Dachziegel oder ähnliches befinden.
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Ein wichtiger erfindungsgemäße Aspekt ist der Aufbau der Energieschale 50 aus Fotovoltaikelementen 40 einerseits, die mit der Außenseite dem Sonnenlicht ausgesetzt sind, und Wärme-Elementen 30 andererseits, die auf der von der Sonne abgewandten Rückseite der Fotovoltaik-Elemente 40 angeordnet ist:
- Die Wärme-Elemente 30 bestehen aus Halteprofilen 1 aus einem gut wärmeleitfähigen Material wie etwa Aluminium oder Stahlblech - wie in 1c vergrößert dargestellt - welche stirnseitig oder im Querschnitt betrachtet einen Haltebereich 2 aufweisen mit Halteschenkeln 2a, b und einer Ausnehmung 4 dazwischen, in der eine Wärmeträger-Leitung 31, meist ein Schlauch oder ein Rohr 31 mit einem runden Querschnitt, gehalten werden kann. Aus diesem Grund ist der Haltebereich 2 in der Regel C-förmig gestaltet und damit die Ausnehmung 4 hinterschnitten und die beiden Halte-Schenkel 2a, b sind mit ihren konkaven Innenseiten gegeneinander gewandt, sodass eine Wärmeträger-Leitung 31 mit dem entsprechenden Außenquerschnitt und ausreichend elastischem Haltebereich 2 formschlüssig von der offenen Seite her in die Ausnehmung 4 eingedrückt und verrastet werden kann.
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Von dem Haltebereich 2 streben zu beiden Seiten ebene und zueinander fluchtende Kontakt-Schenkel 3a, b ab, die mit den Halte-Schenkeln 2a, b des Haltebereiches 2 thermisch gut leitend verbunden sind, insbesondere mit diesen einstückig zusammen ausgebildet sind.
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Diese Halteprofile 1 werden mittels eines thermisch gut leitfähigen Klebers 32 auf die Rückseite der vorzugsweise bereits auf einer Unterkonstruktion - beispielsweise den Dachlatten 101 eines Dachstuhls, die auf den Dachsparren 102 horizontal verlaufen - aufgelegt und befestigt sind, aufgeklebt.
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Dies geschieht vorzugsweise über mehrere nebeneinanderliegende Fotovoltaikelemente 40 hinweg oder auch immer nur in Stücken, die sich nur entlang eines Fotovoltaikelementes 40 erstrecken, aber dann zueinander fluchten müssen. Vorzugsweise sind mehrere Halteprofile 1 durch nicht dargestellte Querstreben zu größeren Haltepaneelen 20 zusammengefasst und montiert, sodass diese Haltepaneele 20 im ganzen an der Rückseite von Fotovoltaikelementen 40 befestigt werden können.
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Auf diese Art und Weise kann die Betriebswärme der sich im Betrieb erhitzen werden Fotovoltaikelemente 14 über die Halteprofile 1 und die Wärmeträger-Leitung 31 an das darin strömende Wärmeträger-Medium übertragen und damit abgeführt und anderweitig gespeichert werden.
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Da die Fotovoltaikelemente 40 zusammen die wetterdichte Dachhaut darstellen sollen, werden sie gegeneinander abgedichtet mit Hilfe von Dichtungen 51, insbesondere Dichtung-Profilen 51, die vorzugsweise auch nach der Montage der Fotovoltaikelemente 40 an ihrer Stützkonstruktion, etwa den Dachlatten 101, noch angebracht werden kann, beispielsweise durch Hineindrehen oder Einklipsen zwischen die Ränder benachbarter Fotovoltaikelemente 40, vorzugsweise von deren Innenseite her.
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Um dennoch eindringende Feuchtigkeit nach unten ohne Schaden ableiten zu können, kann eine wasserdichte Unterspann-Folie 109 unter der gesamten Dachfläche montiert werden, entweder zwischen den Dachlatten 101 und den Dachsparren 102 oder auf der dem Raum zugewandten Innenseite der Dachsparren 102, wobei dort auch eine Beplankung 109, vorzugsweise aus optischen Gründen, vorgesehen werden kann.
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1b zeigt einen vertikalen Schnitt durch einen Wandaufbau 100b, bei dem auf der Außenseite der tragenden Wand, die hier aus einer Wandplatte 70 besteht, wiederum die Energieschale 50 wie zuvor anhand des Daches 100a beschrieben, montiert ist. Dies geschieht vorzugsweise im Abstand zur Außenseite der Wandplatte 70 mittels dazwischen angeordnete Distanzelementen wie etwa Distanzlatten 101, die am besten vertikal verlaufend angeordnet werden. Auch in diesem Fall sind die einzelnen Fotovoltaikelemente 40 der Energieschale 50 über Dichtungsprofile 51 wasserdicht gegeneinander verbunden.
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Die Wandplatte 70 selbst besteht aus mehreren entlang ihrer Hauptebene verlaufenden Schichten, wobei dieser Schichtaufbau vorzugsweise symmetrisch ist:
- Innen, vorzugsweise In der Mitte, befindet sich eine Kernschicht 71, die sowohl primär die Stabilität der Wandplatte 70 zur Verfügung stellt und beispielsweise aus einem Holzwerkstoff bestehen kann, entweder in Form einer Schicht HolzPlatte oder einer USB-Platte, bei der Holzfasern mit einem relativ hohen Anteil an Kleber zusammengehalten werden.
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Bei der Befestigung an umgebenen Bauteilen, beispielsweise vertikal aufragenden, nicht dargestellten Wandpfosten, die zwischen den einzelnen Wandplatten 70 vorhanden sein können, erfolgt die Befestigung, insbesondere Verschraubung, der Wandplatten 70 durch Verschraubung in diese Kernplatte 71 hinein.
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Die zweite Funktion der Kernplatte 71 ist die der Wärmespeicherung und damit verzögerten Wärmeabgabe gegenüber der Wärmeaufnahme.
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Zusammen mit der entsprechenden Festlegung der Isolierwirkung der beidseits an der Kernplatte 71 sich anschließenden, insbesondere direkt anliegenden, Isolierplatten 73a, b kann somit der zeitliche Versatz zwischen Wärmeaufnahmen Wärmeabgabe durch die Kernplatte 71 festgelegt werden.
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Die äußerste Schicht besteht in einer Außenplatte 72a, b die aus einem brandhemmenden Material, vorzugsweise Magnesiumsoxid, besteht. Dazwischen befindet sich jeweils eine Isolierschicht.
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Zwischen der Außenplatte 72a, b und der Isolierschicht 73a, b kann eine weitere, der Stabilität und/oder dem Schallschutz und/oder der Wärmespeicherung dienende Schicht - sei es als Platte oder in anderer Form - angeordnet sein.
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Ebenso können luftgefüllte Abstände zwischen einzelnen der Schichten vorhanden sein und/oder die einzelnen Schichten können statt in Form von Platten auch in anderer Form vorliegen, beispielsweise die äußersten Schichten durch eine Beschichtung aufgetragen werden und/oder die Schichten aus losen Partikein bestehen, was dann einen umlaufenden Rahmen um die Wandplatte 70 erfordert.
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1c zeigt einen Vertikalschnitt durch den Aufbau einer Geschossdecke.
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Vorzugsweise dient die gleiche Platte mit dem gleichen Plattenaufbau als Deckenplatte 105 wie auch als Wandplatte 106.
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Auf der Oberseite der Deckenplatte 105 können sich weitere Schichten zur Schalldämmung bzw. Trittschalldämmung befinden.
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Erfindungswesentlich ist jedoch, dass an der Unterseite der Deckenplatte 105 - wiederum beabstandet durch Abstandselemente wie etwa Distanzlatten 101 - wiederum ein Wärme-Element 30 montiert ist bestehend aus einer Vielzahl von Halteprofilen 1, in deren Ausnehmungen 4 mit Wärmeträger-Medium durchströmte Schläuche oder Rohre 31 montiert sind, vorzugsweise von einem zum nächsten Halteprofil 1 durch mäanderartiges Verlegen der Rohrleitungen 31, sodass jeder Raum des Gebäudes von einer vorzugsweise einzigen Heizschlange in Form einer solchen Rohrleitung 31 an der Decke belegt ist. Durch Hindurchleiten von warmem Wärmeträger-Medium durch die Rohrleitungen 31 werden die Räume im Gebäude beheizt, durch Hindurchleiten von kaltem Wärmeträger-Medium gekühlt.
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Aus optischen Gründen kann unterhalb des Wärmeelements 30 eine luftdurchlässige Zwischendecke montiert werden, sei es in Form einer luftdurchlässigen Unterspann-Bahn oder in Form einer gelochten Beplankung, was hier nicht dargestellt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Halteprofil
- 1a, b
- Ende
- 2
- Haltebereich
- 2a, b
- Halte-Schenkel
- 3a, b
- Kontakt-Schenkel
- 4
- Ausnehmung
- 20
- Halte-Paneel
- 21
- Querstrebe
- 30
- Wärme-Element
- 31
- Wärmeträger-Leitung, Schlauch, Rohr
- 32
- temperaturleitender Kleber
- 40
- Fotovoltaik-Element
- 40a, b
- Glasplatte
- 40c
- fotovoltaische Schicht
- 40d
- elektrischer Anschluss
- 40.1, 40.2
- Fotovoltaik-Feld, Fotovoltaik-Teilfläche, Siliziumzelle
- 50
- Energieschale
- 51
- Dichtung, Dichtungsprofil
- 70
- Wandplatte
- 71
- Kernschicht, Kernplatte
- 72a, b
- Außenschicht, Außenplatte, Magnesiumsoxid-Platte
- 73a, b
- Isolierschicht, Isolierplatte
- 90
- Hüll-Element, Wand-Element
- 100
- Gebäude
- 100 a
- Dach
- 100b
- Gebäude-Korpus
- 100*
- Steuerung
- 101
- Stützelement, Dachlatte, Distanzlatte
- 102
- Dachsparren
- 103
- Wandpfosten
- 104
- (ausfahrbarer) Dachpfosten,
- 105
- Deckenplatte
- 106
- Bodenplatte
- 107
- Brüstung
- 107a
- Brüstungs-Beet
- 108
- Dachrinne, Regenrinne
- 109
- Unterspann-Folie, Beplankung
- 110
- elektrischer Speicher, Akku
- 111
- Gleichrichter
- 112
- Wärmepumpe
- 113
- Strom-Verbraucher
- 113a
- Strom-Zapfstelle außen
- 114
- Gleichstrom-Netz
- 115
- Wechselstrom-Netz
- 120
- thermischer Speicher, Warmwasser-Speicher
- 121
- Wärmeträger-Pumpe
- 122a, b
- Wärmeträger-Kreislauf
- 123
- Wärme-Verbraucher
- 123a
-
- 124
- Geothermie-Kreislauf
- 140
- Brauchwasser-Speicher, Regenwasser-Speicher
- 141
- Kaltwasser-Speicher
- 150
- Küche
- 151
- drehbares Rondell
- 160
- Bad
- 161
- Nasszelle
- 162
- Nass-Vorraum
- 170
- Fenster
- 171
- Rollo
- 171A
- Rollo-Speicherelement, Wickelrolle
- 171a
- Außen-Rollo
- 171b
- Innen-Rollo
- 200
- Elektro-Fahrzeug, E-mobil
